Observation microscopique en direct de la transition vitreuse

Des chercheurs de l’Université Autonome de Barcelone (UAB) et de l’Institut Catalan de Nanosciences et Nanotechnologies (ICN2) ont développé une méthodologie permettant pour la première fois d’observer en temps réel sous microscope ce qui se passe lorsque du verre est chauffé et se transforme en une phase liquide surfondue, connue comme la « transition vitreuse ».

Ces travaux, publiés dans Nature Physics, sont d’une grande importance pour la cryoconservation de protéines, cellules et tissus vivants, pour la fabrication de médicaments et dispositifs électroniques, ainsi que pour l’ingénierie tissulaire, où cette transition vitreuse joue un rôle clé.

Une méthode inédite pour observer la transition vitreuse

Le verre est un matériau solide à la structure tellement désordonnée qu’il pourrait être considéré comme un liquide d’une viscosité extraordinairement élevée. On le retrouve dans les vitres et vitraux transparents ou colorés, dans les écrans de télévision et appareils mobiles, dans les fibres optiques, dans les matières plastiques industrielles, mais aussi à l’état de protéines, structures cellulaires et tissus vivants lorsqu’ils sont congelés pour la cryoconservation.

Malgré cette omniprésence, il est très difficile de développer des théories et modèles pouvant expliquer en détail leur comportement. Les mécanismes par lesquels un liquide refroidit et se transforme en verre, et inversement, comment un verre se transforme en liquide lorsqu’il est chauffé, ce que l’on appelle « transition vitreuse« , ne sont toujours pas complètement compris.

Les physiciens ne sont toujours pas certains s’il s’agit d’une transition de phase et si le verre peut être considéré comme un état thermodynamique distinct des états liquide et solide ; ou si le verre n’est simplement qu’un liquide surfondu – refroidi en-dessous de sa température de congélation mais conservant des propriétés liquides – dont les atomes ou molécules ont une mobilité très faible.

L’une des principales difficultés pour comprendre ce processus réside dans les défis pour le visualiser à travers le microscope avec une résolution suffisante, les structures du liquide surfondu et du verre étant pratiquement indiscernables.

Une équipe de chercheurs* a présenté une nouvelle méthodologie permettant d’observer directement sous le microscope ce qui se passe dans un verre lorsqu’il est chauffé au-dessus de la température de transition vitreuse, connu comme le processus de « relaxation » qui le transforme en liquide. Les chercheurs ont travaillé avec du verre organique ultra-stable, préparé par évaporation thermique. Ceux-ci sont plus denses et présentent une stabilité cinétique et thermodynamique supérieure au verre conventionnel obtenu directement à partir de liquides.

*Image de l’ondulation de la surface causée par le processus de transition vitreuse obtenue pour la première fois par microscopie à force atomique. (Image : UAB/ICN2)*

Contrairement au verre conventionnel qui, comme on l’a vu jusqu’à présent, se transforme globalement en état liquide, sans distinctions claires entre les différentes régions du matériau, ce verre ultra-stable effectue une transition vers un état liquide surfondu de manière similaire aux solides cristallins lorsqu’ils passent à l’état liquide, avec la formation de zones en phase liquide qui grossissent progressivement. Il s’agit d’un processus qui avait déjà été décrit indirectement par des mesures nano-calorimétriques et observé uniquement dans des modèles informatiques.

« On avait déjà inféré précédemment à partir de ces modèles que les zones liquides qui sont produites ont une séparation extraordinaire entre elles dans ce type de verre, mais cela n’avait jamais été observé directement« , explique Cristian Rodriguez Tinoco, chercheur à l’UAB et l’ICN2.

Une observation en temps réel de la transition vitreuse

La nouvelle méthode développée pour observer cette transition consiste à sandwicher le verre ultra-stable entre deux couches de verre à température de transition plus élevée. Lorsque la couche de verre ultra-stable est chauffée au-dessus de sa température de transition, les instabilités qui se produisent en surface sont transférées aux couches externes du sandwich et peuvent être observées directement avec un microscope à force atomique.

Il s’agit de mouvements et compressions très petits, de l’ordre de quelques nanomètres lorsque la transformation commence, mais suffisamment importants pour être mesurés avec précision avec un microscope de ce type, qui contrôle in situ les déformations de surface qui apparaissent au-dessus de la température de transition », explique Marta Ruiz Ruiz, doctorante.

Les travaux permettent de suivre en temps réel la dévitrification du verre. Ils permettent de quantifier la dynamique du processus de relaxation dans les cristaux ultra-stables vers un liquide surfondu en mesurant directement les distances entre les domaines liquides qui apparaissent, tout en observant la déformation de la surface et son évolution dans le temps. Ainsi, il a été possible de confirmer comment ces distances entre zones liquides sont extraordinairement grandes dans ce type de verre, et la corrélation de ces distances avec les échelles de temps du matériau, comme prédit par les modèles informatiques.

« La description microscopique que nous avons réalisée a permis pour la première fois une comparaison directe entre les modèles informatiques et la réalité physique. Nous pensons que cette technique sera également très utile pour explorer la transition vitreuse à des échelles de temps et d’espace plus petites, ce qui permettra une meilleure compréhension de la transition dans les verres moins stables produits à partir de liquides refroidis« , conclut Javier Rodríguez Viejo, chercheur à l’UAB et l’ICN2.

En synthèse

Cette nouvelle méthode d’observation de la transition vitreuse sous microscope en temps réel ouvre la voie à une meilleure compréhension des mécanismes complexes impliqués dans ce phénomène omniprésent dans notre vie quotidienne. Les applications sont nombreuses, de la cryoconservation aux technologies de l’information en passant par l’ingénierie tissulaire.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la transition vitreuse ?

La transition vitreuse est le phénomène par lequel un liquide se transforme en un solide amorphe appelé verre lorsqu’il est refroidi.

En quoi est-ce important ?

La transition vitreuse joue un rôle clé dans de nombreux domaines comme la cryoconservation, l’électronique et l’ingénierie tissulaire. Mais les mécanismes précis ne sont pas complètement compris.

Quelle nouvelle méthode a été développée ?

Une méthode de microscopie permettant d’observer pour la première fois en temps réel la transition d’un verre ultra-stable en liquide surfondu lorsqu’il est chauffé.